Warum die Erde bebt – natürliche und menschengemachte Ursachen

Am 2. Januar dieses Jahres um 7:36 Uhr morgens wackeln in einigen Häusern der Eifel Bett und Wände. War es ein verspäteter Chinaböller? 😀 Nein, es war ein Erdbeben mit der Stärke 2,7 auf der Richter-Skala, wie das folgende Video zeigt:

Doch warum bebt die Erde überhaupt? Und wie sehr fallen neben den natürlichen auch menschengemachte Ursachen ins Gewicht – ausgelöst durch Geothermie, Erdgasförderung, Bergbau oder Stauseen?

Erdbeben entstehen durch Massenverschiebungen im Untergrund. Die stärksten Erdbeben sind an Verschiebungen der tektonischen Platten gebunden. Aber auch in Deutschland, das nicht an einer Plattengrenze liegt, bebt die Erde nahezu täglich. Allerdings sind diese Mikrobeben so klein, dass sie nicht vom Menschen wahrgenommen werden können, sondern nur von Seismometern.

Seismometer – die stillen Beobachter von Erdbebenwellen 

Alle Erdbeben, ob groß oder klein, verursachen Druckwellen, also seismische Wellen, die sich durch das Erdinnere fortbewegen. Die ersten (primären) seismischen Wellen, P-Wellen, breiten sich in Ausbreitungsrichtung aus – also nur nach vorne. Sie erreichen in der Erdkruste Geschwindigkeiten von 5.000 bis 7.000 Kilometer pro Sekunde. Die sekundären seismischen Wellen, S-Wellen, breiten sich auch quer zur Ausbreitungsrichtung aus – nach vorne und zur Seite, ja also in etwa schlangenförmig. Sie sind mit 3.000 bis 4.000 Kilometer pro Sekunde langsamer als P-Wellen. Je stärker ein Erdbeben ist, desto stärker sind auch die von ihm ausgelösten P- und S-Wellen.

Seismische Wellen werden mit Seismometern aufgezeichnet. Im Seismometer ist ein Gewicht in einem Gewicht aufgehängt, das auch dann bewegungslos bleibt, wenn sich die äußere Umgebung bewegt, wie zum Beispiel durch seismische Wellen. Die modernen Seismometer nutzen einen elektromechanischen Mechanismus dafür. An dem aufgehängten Gewicht ist ein Stift angebracht. Beim Notieren ist ja normalerweise so, dass sich der Stift bewegt und das Papier stillsteht. Im Seismometer ist es genau anders herum. Das Papier gehört zur äußeren Umgebung und wird ebenfalls von den seismischen Wellen in Bewegung gesetzt, die der still stehende Stift aufzeichnet. Je stärker sich die Umgebung bewegt, desto höher sind die Ausschläge, oder auch Amplituden, im Seismometer. Ein Seismometer zeichnet nicht nur die eintreffenden P- und S-Wellen auf, sondern auch ihren zeitlichen Abstand, wie das, glaub ich, kürzeste Video meines Blogs zeigt: 😉

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Je näher ein Seismometer an einem Erdbebenherd, oder auch Epizentrum eines Erdbebens, liegt, desto kürzer ist der zeitliche Abstand der eintreffenden P- und S-Wellen. Zur Bestimmung des Epizentrums und der Stärke eines Erdbebens reichen die Aufzeichnungen von P- und S-Wellen und ihre zeitlichen Abstände von drei räumlich getrennten Seismometern aus.

Die Richter-Skala und die Momentan-Magnituden-Skala

Die Richter-Skala beschreibt die Stärke von Erdbeben mit einem dekadischen Logarithmus (Abbildung 1). Ein Anstieg der Magnitude um einen Punkt entspricht einer etwa 10-fach stärkeren Amplitude im Seismometer und einer 32-fach höheren Energiefreisetzung im Erdbebenherd. Ab einer Stärke von 4,5 sind Erdbeben stark genug, um von allen Seismometern auf der Welt erfasst zu werden.

Abbildung 1: Die Richter-Skala mit Angaben zur Magnitude, der Einteilung der Erdbebenstärke, den Erdbebenauswirkungen, der Häufigkeit der Ereignisse weltweit und der freigesetzten Energie. Ab einer Stärker von 6,5 wird die Momentan-Magnituden-Skala genutzt. Quelle: US Geological Survey

Fälschlicherweise heißt es oft, dass die Richter-Skala nach oben offen sei. Ab einer Stärke von 6,5 weist die im Seismometer aufgezeichnete Amplitude aber praktisch keine Zunahme mehr auf, auch wenn die freigesetzte Energie im Erdbebenherd um das Hundertfache oder Tausendfache erhöht ist. Daher ist es ebenso falsch, wenn davon gesprochen wird, dass ein Erdbeben eine höhere Stärke als 6,5 auf der Richter-Skala hat. Denn für stärkere Erdbeben wird die sogenannte Momentan-Magnituden-Skala genutzt. Sie wurde 1977 vom japanischen Geophysiker Keiiti Aki eingeführt und basiert auf dem seismischen Moment, der das Produkt aus der Größe der Bruchfläche im Untergrund, der Verschiebung der Gesteinsblöcke und der Verformungsfähigkeit des Gesteins beschreibt (Hanks & Kanamori, 1979). Per Definition hat auch die Momentan-Magnituden-Skala nach oben ein Ende. Bei dem Wert von 10,6 geht man davon aus, dass die Erdkruste vollständig auseinanderbrechen müsste.

Erdbeben in Deutschland mit natürlichen Ursachen

In Deutschland gibt es mehrere Regionen, in denen Erdbeben mit natürlichen Ursachen auftreten können (Abbildung 2).

Abbildung 2: Erdbebenregionen in Deutschland mit natürlichen Ursachen. A: Schwäbische Alb; B: Niederrheinische Bucht; C: Oberrheingraben; D: Vogtland und Böhmen. Die hier dargestellte Gliederung in Zonen entspricht der Mercalli-Skala. Sie beruht auf Beobachtung und wurde eingeführt, als es noch keine präzisen Messinstrumente gab. Zone 0 entspricht in der Mercalli-Skala Stufe 2 (sehr leicht): „Vereinzelt spürbar (obere Geschosse von Hochhäusern), wird vereinzelt von ruhenden Personen wahrgenommen“; Zone 1 entspricht Stufe 3 (leicht): „Deutlich zu spüren, vor allem in den oberen Stockwerken von Gebäuden, wenn auch meist nicht als Erdbeben erkannt. Stehende Autos und hängende Objekte schwingen leicht, Erschütterungen ähnlich denen eines vorbeifahrenden LKWs“; Zone 2 entspricht Stufe 4 (mäßig): „In Gebäuden von vielen, außerhalb tagsüber von einigen Personen wahrgenommen, einige Schlafende erwachen. Geschirr, Fenster und Türen zittern oder klirren, Wände erzeugen knarrende Geräusche. Stehende Autos schwingen deutlich, Erschütterungen wie die beim Zusammenstoß eines LKWs mit einem Haus“; Zone 3 entspricht Stufe 4 bis 5 (ziemlich stark): „Von fast jedem gespürt, viele Schlafende erwachen. Geschirr und Fensterscheiben können zerspringen, instabile Objekte fallen um, Pendeluhren können anhalten. Bäume schwanken, Türen und Fenster können auf- und zugehen.“ Quelle: verändert nach Stöfix, CC-BY-2.0-DE,
https://commons.wikimedia.org/
wiki/File:Erdbebenzonen.png

In der Schwäbischen Alb kam es im Jahr 1911 mit einer Stärke von 6,1 auf der Richter-Skala zum schwersten Erdbeben, das jemals in Deutschland gemessen wurde. Die Ursache dieses Intraplattenbebens liegt in einer Schwächezone in 5 bis 10 Kilometer Tiefe, die auf ein Salzgestein zurückgeht (Mader et al., 2020). Schwächezonen haben eine geringere Festigkeit als ihre Umgebung. Obwohl es 1943 und 1978 zu weiteren schweren Erdbeben entlang dieser Schwächezone kam, ist es schwierig vorherzusagen, ob sie Teil einer Serie sind oder ob nun wieder für Jahrhunderte und Jahrtausende Ruhe herrscht.

In der Niederrheinischen Bucht ereignete sich am 13. April 1992 nahe der Stadt Roermond ein Erdbeben mit einer Stärke von 5,9 auf der Richter-Skala. Hunderte Häuser wurden dabei beschädigt. Es gehört zu meinen Kindheitserinnerungen. Historische Aufzeichnungen belegen etwa 20 schwerere Erdbeben in den letzten rund 1.000 Jahren (Faenza et al., 2007). Im Jahr 1756 kamen dabei in Düren einige Menschen ums Leben. Die Niederrheinische Bucht gehört wie der Oberrheingraben zu einer Dehnungszone, die sich aufgrund von Spannungen zwischen der europäischen und afrikanischen Platte herausbildete und sich von den Alpen bis zur Nordsee erstreckt. Die Niederrheinische Bucht senkt sich seit vielen Millionen Jahren zwar nur mit etwa einem Zehntel Millimeter pro Jahr ab, aber lokal können größere Bewegungen auch in Zukunft zu schwereren Erdbeben führen, wie zuletzt 1992.

Der Oberrheingraben, der wegen des Lithiumreichtums auch von großer wirtschaftlicher Bedeutung ist, gehört ebenfalls zu dieser Dehnungszone. Da sich der Oberrheingraben aber mit bis zu einem Millimeter pro Jahr absenkt, kommt es dort auch häufiger zu wenn auch etwas schwächeren Erdbeben als in der Niederrheinischen Bucht (Plenefisch & Bonjer, 1997). Eins habe ich mal live im Wohnzimmer miterlebt. Ich war mir sicher, dass ein LKW auf der viel befahrenen Straße vor der Haustür ins Haus gekracht sein müsste. Die Druckwelle bewegte sich auch in die richtige Richtung durch die Wohnung vom Wohnzimmer in die Küche, wo die Gläser wackelten. Ich wollte den sicherlich schrecklichen Unfall gar nicht sehen. Schließlich schaute ich doch vorsichtig auf die Straße und sah – nichts. In Basel am südlichen Rand des Oberrheingrabens hat es 1356 ein Beben mit einer Stärke von 6 bis 7 gegeben, wie historische Quellen und paläoseismische Daten belegen.

Im Vogtland und im tschechischen Böhmen kommt es immer wieder zu Schwarmbeben, also zu 1.000 bis 10.000 Erdbeben mit demselben Epizentrum innerhalb weniger Wochen (Fischer et al., 2014). Die Beben haben eine maximale Stärke von 3,5 bis 4,5 auf der Richter-Skala und traten 2008, 2011 und 2014 zuletzt auf. Diese Region durchziehen zwei größere Störungszonen, die sich in einem Punkt kreuzen. An dieser Kreuzung hat sich eine Schwächezone herausgebildet, die vermutlich für den Aufstieg von Fluiden aus großen Tiefen verantwortlich ist, in dem die Ursache für die Schwarmbeben gesehen wird.

In der Eifel entstehen kleinste Beben durch vulkanische Aktivität. Der Laacher See, der größte See in Rheinland-Pfalz, ist ein Überbleibsel eines Vulkans, der dort vor etwa 12.900 Jahren ausbrach. Im Laacher See zeugen heute noch immer CO2-gefüllte Bläschen, die bis an die Wasseroberfläche aufsteigen, von vulkanischer Aktivität im Untergrund. Unterhalb des Laacher Sees können nun dank neuester Messtechnik tiefe, schwache Erdbeben (engl. deep low-frequency earthquakes) unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsgrenze aufgezeichnet werden (Hensch et al., 2019). Diese Beben haben eine Dauer von 40 Sekunden bis 8 Minuten und treten entlang eines Kanals in einer Tiefe von 45 bis 8 Kilometern auf. Diese Linie würde, wenn man sie bis an die Oberfläche verlängerte, den Laacher See antreffen. Die Erdbeben werden als Reaktion auf einen Magmaaufstieg gedeutet, durch den eine Magmakammer in 7 bis 10 Kilometer Tiefe unterhalb des Laacher Sees gefüllt wird, wie dieses Video zeigt:

Die Aufzeichnung von Mikrobeben, die eine Stärke von weniger als 2 auf der Richter-Skala haben, nicht spürbar sind und deutschlandweit auftreten, ist gar nicht so einfach, weil die schwachen Signale durch Regen und Wind aber auch durch menschliche Quellen wie Industrie, Verkehr und Bauarbeiten übertönt werden (Steiner, 2020). Während des ersten Corona-Lockdowns von März bis Juni 2020 sanken die Geräuschemissionen um bis zu 30 % und ermöglichten ein sehr viel genaueres Hinhören und Wahrnehmen der Mikrobeben. Die Erdbebenforscher hoffen durch diesen Datenschatz auf neue Forschungserkenntnisse – auch im Hinblick auf die Vorhersage größerer Erdbeben.

Erdbeben mit menschengemachten Ursachen

Menschengemachte Erdbeben sind hochpolitisch und führen immer zum Einstellungsstopp der damit in Verbindung gebrachten Gewinnungsanlagen von Bodenschätzen.

Und in der Tat hat es schon mehrere Erdbeben gegeben, die in Verbindung mit Geothermiekraftwerken, die Thermalwässer aus einigen Kilometern Tiefe fördern, gebracht wurden. Die allermeisten von ihnen treten im ohnehin schon erdbebenaktiven Oberrheingraben auf. In Basel führte 2006 ein Erdbeben mit der Stärke von 3,4 zum sofortigen Betriebsstopp des dortigen Geothermiekraftwerks. Erst in diesem Winter (Dezember 2020) stellte das Geothermiekraftwerk in Reichstett nahe Straßburg im französischen Teil des Oberrheingrabens seinen Betrieb nach 6 Erdbeben innerhalb weniger Wochen, Rissen an Häusern und Bürgerbeschwerden ein (Nückles, 2020). Das stärkste erreichte 3,5 auf der Richter-Skala. Auch mehrere Erdbeben in Landau und Insheim, die eine Stärke von jeweils 2,4 hatten, wurden mit den dortigen Geothermiekraftwerken in Verbindung gebracht.

Auch die Erdgasförderung kann Erdbeben auslösen. Im niedersächsischen Erdgasfeld Völkersen wurden von 2008 bis 2019 21 Erdbeben mit Stärken von 3,0 bis 3,2 auf der Richter-Skala registriert (Becker, 2019). Die Erdbeben wurden durch die Druckabsenkung in der Lagerstätte hervorgerufen. Im niederländischen Groningen hat die Erdgasförderung noch viel schlimmere Erdbeben ausgelöst (Müller, 2020). Die ersten Beben traten schon in den 1990er Jahren auf. Und es wurden immer mehr. 2011 waren es 80, 2012 fast 100 und 2013 sogar 120. Das stärkste Beben erreichte 3,6 auf der Richter-Skala. Anschließend wurde der Betrieb zwar drei Jahre lang um 80 % reduziert. Aber genützt hat es nichts. 2017 waren es wieder 120 Erdbeben. Nach weiteren Beben 2018 und 2019 und massiven Bürgerprotesten wurde beschlossen, die Erdgasförderung in Groningen ab 2026 einzustellen. Die Anwohner müssen aber wohl bis 2028 noch mit Nachbeben rechnen.

Der Bergbau hat im Ruhrgebiet immer wieder Erdbeben ausgelöst (Bischoff et al., 2009), womöglich sogar nach der Schließung der letzten Zeche 2018. Im November 2019 kam es in Hamm zu einem Beben mit der Stärke 2,6, das im Zusammenhang mit dem ehemaligen Steinkohlebergbau im Ruhrgebiet stehen könnte. Eine mögliche Ursache ist der Anstieg des Grubenwassers. Nach 150 Jahren Kohleabbau durchziehen etwa 60.000 größtenteils mit Wasser gefüllte Schächte den Untergrund des Ruhrgebiets. Dadurch sackte seine Oberfläche förmlich ein, wie beispielsweise die Essener Innenstadt um rund 30 Meter. Das Abpumpen des Grubenwassers ist eine Ewigkeitslast und enorm teuer. Um Kosten zu sparen, soll das Grubenwasser nun kontrolliert etwas ansteigen. Ob die sich nun häufenden Erdbeben im Ruhrgebiet damit in Verbindung stehen, ist gerade Gegenstand der Forschung.

Die stärksten menschengemachten Erdbeben haben aber die Stauseen in China ausgelöst (Gahalaut & Gahalaut, 2010). Die gewaltigen Wassermassen im Zipingpu-Stausee ließen den Druck auf den Untergrund so stark ansteigen, dass dieser 2008 schließlich auf einer Länge von 250 Kilometern einbrach und ein Erdbeben mit der Stärke 7,9 auf der Richter-Skala (ups, auf der Momentan-Magnituden-Skala natürlich!) auslöste. Es forderte 80.000 Menschenleben, verletzte knapp 400.000 Menschen, zerstörte ganze Großstädte und hinterließ rund 5,8 Millionen Obdachlose. Der Zipingpu-Stausee liegt in der südchinesischen Provinz Sichuan und diese nicht weit entfernt vom Himalaya-Gebirge. Dort schiebt sich noch immer die indische Platte in den eurasischen Kontinent hinein – und setzt die gesamte Region, zu deren Ausläufern auch die chinesische Provinz Sichuan gehört, unter Spannung.

Das Spannungsfeld im Untergrund

Weltweit ist der Untergrund Spannungen ausgesetzt (Heidbach & Ziegler, 2018). In tektonisch inaktiven Regionen, wie innerhalb alter Kontinente (z. B. Sibirien oder Skandinavien) ist diese Spannung klein, denn sie beschränkt sich fast ausschließlich auf das Gewicht der überlagernden Gesteine. In den tektonisch aktivsten Regionen der Welt, an Plattengrenzen, kommen starke horizontale Spannungen hinzu. An Subduktionszonen beispielsweise drückt sich eine ganze Erdplatte mit Geschwindigkeiten von mehreren Zentimetern pro Jahr in eine andere Erdplatte hinein und erhöht deren Untergrundspannung einige Hunderte Kilometer weit ins Hinterland. In vielen Gebieten der Welt kommt es auch zu überlagernden Spannungen im Untergrund, wie die World Stress Map zeigt (Abbildung 3). Natürliche Erdbeben sind praktisch nichts anderes als der Abbau der im Untergrund existierenden Spannungen.

Abbildung 3: Die World Stress Map (Heidbach et al., 2018) zeigt die punktuellen Bewegungsrichtungen der Erdoberfläche an. Ausschnitt aus youtube-Video: https://www.youtube.com/watch?v=dz7Mz8Av7uM


Menschengemachte Erdbeben – Unterscheidung von zwei Klassen

Menschengemachte Erdbeben können stark vom existierenden Spannungsfeld im Untergrund begünstigt werden (Dahm et al., 2013). In der chinesischen Provinz Sichuan, in der der Untergrund ohnehin einer großen Spannung ausgesetzt ist, löst ein schwerer Stausee viel eher ein Erdbeben aus als in Sibirien. Erdbebenforscher unterteilen menschengemachte Erdbeben daher in die Klassen induziert und ausgelöst (Dahm et al., 2015). Bei ausgelösten Erdbeben ist allein der Mensch für das Auftreten des Erdbebens verantwortlich. Die Untergrundspannung ist so niedrig, dass es ohne den Menschen nicht zu dem Beben gekommen wäre, wie z. B. in Hamm. Induzierte Erdbeben kommen in Regionen mit einer erhöhten Untergrundspannung vor, wie beispielsweise in Sichuan oder dem Oberrheingraben, und wären später ohnehin aufgetreten. Die vom Menschen zusätzlich induzierte Spannung lässt das Beben nur eben zu einem früheren Zeitpunkt geschehen. Mit anderen Worten: Da, wo es zu natürlichen Erdbeben kommt, sind auch menschengemachte wahrscheinlicher. Geothermiekraftwerke haben demnach im Oberrheingraben, dessen Untergrundspannung erhöht ist, ohnehin ein höheres Erdbebenrisiko als in Norddeutschland oder im südbayerischen Molassebecken, wo die Untergrundspannung niedrig ist.

Aktuelle Forschung zu menschengemachten Erdbeben von Geothermiekraftwerken

Im Rahmen eines großen Forschungsprojekts wird aktuell der Einfluss von Geothermiekraftwerken auf die vorherrschende Untergrundspannung untersucht, um die Gründe für induzierte Erdbeben besser zu verstehen. Im Fokus stehen unter anderem das Erkennen kritisch gespannter Störungen im Untergrund, die also ohnehin kurz vor einem Spannungsabbau – sprich Erdbeben – stehen und der Einfluss des Wasserdrucks innerhalb von Gesteinen auf die Untergrundspannung. Ein besseres Verständnis soll dabei helfen, die Gefahr induzierter Erdbeben durch Geothermieprojekte in Zukunft deutlich zu reduzieren.

Fazit

Natürliche und menschengemachte Erdbeben können viele verschiedene Ursachen haben. Erst einmal können wir uns in Europa insgesamt glücklich schätzen, von wirklich schweren Erdbeben verschont zu bleiben. Dennoch können in Deutschland natürliche Erdbeben mit einer Stärke von bis zu 6 auf der Richter-Skala vorkommen. Menschengemachte Erdbeben haben geringere Stärken von höchstens bis zu 3,5. Die von Geothermiekraftwerken hervorgerufenen menschengemachten Erdbeben sind nahezu alle induziert und nicht ausgelöst. Den Ärger der Anwohner kann man natürlich trotzdem gut verstehen. Im Vergleich zu den Erdbeben, die durch die Erdgasförderung und insbesondere Stauseen ausgelöst werden, ist die Maximalstärke von durch Geothermie induzierten Beben deutlich geringer, wie das Umweltbundesamt in einem Bericht betont (Plenefisch et al., 2015). Und hoffentlich verhilft die aktuelle Forschung in dem Bereich dazu, in Zukunft Geothermie ganz ohne schwache induzierte Beben zu ermöglichen!

Quellenverzeichnis:

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Hensch, M., Dahm, T., Ritter, T., Heimann, S., Schmidt, B., Stange, S., Lehmann, K. (2019): Deep low-frequency earthquakes reveal ongoing magmatic recharge beneath Laacher See Volcano (Eifel, Germany). Geophysical Journal International, 116, 3, 2025-2036

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Nückles, B. (2020): Präfektur stoppt Betrieb im Straßburger Geothermie-Kraftwerk nach Erdbeben. Badische Neueste Nachrichten. 9. Dezember 2020

Plenefisch, T., Bonjer, K.-P. (1997): The stress field in the Rhine Graben area inferred from earthquake focal mechanisms and estimation of frictional parameters. Tectonophysics, 275, 1-3, 71-97

Plenefisch, T., Brückner, L., Ceranna, L., Gestermann, N., Houbon, G., Tischner, T., Wegler, U., Wellbrink, M., Bönnemann, C. (2015): Tiefe Geothermie – mögliche Umweltauswirkungen infolge hydraulischer und chemischer Stimulationen. Herausgeber: Bundesumweltamt, Durchführung der Studie: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Link: https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/376/publikationen/texte_104_2015_tiefe_geothermie.pdf

Steiner, J. (2020): Coronavirus: Die Erde zittert weniger. SWR WISSEN, 21. April 2020

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